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“矿井水防治与资源化利用”专题

来源：煤炭科学技术

专题来自于《煤炭科学技术》2023年07期，共23篇研究成果。

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  • 西南岩溶矿区采动影响下溶洞对导水裂隙发育规律研究

    作者(Author)： 李振华, 李松涛, 杜锋, 王文强, 李建伟, 焦阳, 樊旋

    摘要：黔西南矿区为我国典型的岩溶发育矿区，采动影响下岩溶顶板导水裂隙高度异常发育，雨季大气降水极易通过超高导水通道进入井下工作面，造成工作面涌水灾害，严重影响矿井的正常生产。为此，以新田煤矿煤层开采的导水裂隙为研究对象，在分析矿区溶洞赋存特征基础上，采用现场实测、室内模拟及理论分析等手段，研究了工作面开采过程中溶洞下顶板导水裂隙带的发育规律，揭示了超高导水裂隙的发育机理，结果表明：①研究区域顶板溶洞在地表—玉龙山段—长兴组等层位由上而下具有明显的分带现象，地表沿沟谷处落水洞发育，玉龙山段强含水层中上部溶洞发育，且呈现不同形态的串珠状，长兴组仅局部赋存直径较小的溶洞；②岩溶含水层中溶洞对导水裂隙有着重要的影响，无溶洞条件下，导水裂隙发育高度为43.1 m，裂采比为14.4，含溶洞条件下，导水裂隙发育异常，其高度可达173.1 m，裂采比高达57.7，与玉龙山段灰岩强含水层沟通；③溶洞下顶板导水裂隙由采动上行裂隙和溶洞失稳下行裂隙两部分构成，采动影响下，溶洞在集中应力和采动附加应力的共同作用下发生失稳，并容易形成下行裂隙，与采动上行裂隙沟通，最终形成黔西南矿区特殊的超高导水裂隙。
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    煤炭科学技术
    2023年第07期
    251
    89
  • 不同围压下峰后循环载荷对砂岩力学及渗流特性的影响研究

    作者(Author)： 张培森, 许大强, 颜伟, 胡昕, 李霄, 方家鑫, 鞠照强, 赵铭

    摘要：开采扰动导致煤层底板一定范围内岩体处于峰后状态，受相邻巷道开挖及煤层开采作用促使峰后岩体经历循环加−卸载过程，为探究不同地应力环境下峰后循环载荷作用对岩体结构的影响，明晰煤层底板突水等灾害的孕育过程，基于Rock Top多场耦合试验仪对砂岩开展了5、10、15、20、25 MPa围压峰后循环载荷试验研究。研究结果表明：①峰后循环载荷作用之前，岩石单位渗透率均呈快速下降—趋于平稳—突然上升—突然下降—趋于平稳的变化规律，峰后循环阶段，岩石单位渗透率则与轴向载荷近乎呈倒置关系；②岩石弹性模量、裂隙闭合应力、起裂应力、损伤应力、峰值应力、残余应力均与围压呈正相关，泊松比则随围压增大呈先增大后减小的变化特点；③ 5、10 MPa围压下，岩石出现间歇性破坏，脆性破坏特征有所减弱，15、20、25 MPa围压下，岩石脆性破坏特征明显，岩石破坏特征由岩石本身性质所决定；④峰后轴向载荷主要对岩石渗透率增大起促进作用，但该促进作用较围压对岩石渗透率的抑制作用弱，围压为影响岩石峰后渗透率变化的主导因素；⑤不同围压下，岩石均产生了一条贯穿剪切裂纹，但随围压增大，岩石破坏程度逐渐减弱，破坏模式趋于简单。
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    煤炭科学技术
    2023年第07期
    202
    75
  • 中国煤炭去产能的水资源协同效益分析

    作者(Author)： 林刚, 付晶莹, 江东, 赵亚楠

    摘要：关闭/退出矿井是落实国务院《关于煤炭行业化解过剩产能实现脱困发展的意见》重要措施之一，对于区域能源结构优化、减少碳排放和环境保护具有重要意义。为评估煤炭去产能过程中产生的水资源协同效益，揭示关闭/退出矿井的时空演变特征，以煤炭去产能为政策背景，通过调查2016—2022年间关闭/退出的矿井数量和产能，在分析关闭/退出矿井时空分布特征基础上，结合煤炭开采、洗选阶段与水资源相关的矿井水量、耗水量和废水量系数，定量化分析煤炭去产能带来的水资源协同效应。研究结果表明：2016—2022年中国涉煤省份关闭/退出矿井共4027个，退出产能8.75亿t，关闭/退出矿井数量集中在长江上游区域，煤炭去产能密度高的区域集中在黄河“几”字弯。同时，煤炭去产能减少浪费水资源总量约30亿t，高于中国第四大淡水湖洪湖的容积，产生的社会经济效益约为461.65亿元。水资源协同效益较好的区域主要分布在西南地区、华北地区和黄河流域等水资源短缺的地区。本研究定量化分析煤炭去产能的水资源协同效益，并探讨了废弃矿井水资源的利用方向，可为我国可持续发展目标实现和“双碳”目标下煤炭退出提供科学依据和数据支撑。
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    煤炭科学技术
    2023年第07期
    188
    146
  • 煤层采动底板变形破坏过程多参数精细感知方法研究

    作者(Author)： 姚多喜, 刘畅

    摘要：煤层采动过程中，通过测试参数感知底板变形破坏过程是采场地质保障的有效方式。利用有限差分法构建煤层采动底板破坏数值模型，获取塑性区的分布和演化特征，结果显示底板破坏深度为21 m。在煤层底板钻孔中植入电缆和分布式光纤，通过对电极电流值和光纤应变的连续采集，获得采动效应下的特征参数图谱，进一步分析底板的变形破坏程度。结果表明：电极电流的初始值在40 mA以上。随着工作面的推进电流值轻微升高，当工作面推进到孔口附近时，电流降到1 mA以下，岩层破坏；光纤测试方面，随着工作面的推进光纤应变不断增大，当工作面靠近孔口时，光纤应变峰值为8.589×10−3，之后岩层破裂，能量释放，光纤应变回弹。电极电流和光纤应变参数图谱显示底板的变形破坏过程分为4个阶段，分别为无影响阶段、微影响阶段、显著影响阶段和破坏阶段。监测数据对底板变形破坏过程起到了良好表征作用，但存在一定差异，具体表现在超前应力和破裂伊始的感知上，电极电流的响应要略早于光纤应变。电极电流的结果显示底板破坏深度为20.8 m，光纤应变的结果显示底板破坏深度为21.0 m。构建电极电流值和应变值的核密度图，对于底板浅部的监测点，数据点离散程度较大；而埋深较大的监测点受动效应影响较小，回采过程中数据点分布较为集中，离散程度较小。通过多测试参数联合感知，实现煤层采动底板变形破坏过程的精细表征和评价。
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    煤炭科学技术
    2023年第07期
    160
    84
  • 煤矿水害智能预警系统关键架构及模型研究

    作者(Author)： 邱浩, 李宏杰, 李文, 李江华, 杜明泽, 姜鹏

    摘要：为保障我国受水害威胁矿井的安全生产，加快煤矿水害预测预警技术的智能化进程，提高煤矿水害预测预警效果，基于国内水害机理与预警领域的研究现状，对煤矿水害智能预警系统建设过程中存在的预警系统建设水平与数据接入标准不统一、水害大数据信息的分类与时空匹配管理复杂、水害大数据信息的智能处理分析不足、预警及智能决策信息发布的时效性差4类技术问题进行了详细论述。针对4类技术问题，从预警系统资源整合及数据驱动角度出发，将水害预警资源分为信息采集资源与计算资源，将水害预警大数据信息分为静态本源信息与动态监测信息，将数据处理分为基础地质模型数据处理、数值处理与计算模拟及信息融合数据处理，将煤矿灾害预警分为监测参数预警、指标分级预警、智能模型预警，提出并剖析了煤矿水害智能预警系统关键技术架构。提出满足技术需求系统软件服务架构，给出了基础设施层、数据资源层、应用支撑层、业务应用层、用户展现层的软件服务方案。结合水害预警建设流程提出了针对水害监测数据的门控循环单元算法预警模型，给出了预警模型的网络结构，研究了预警模型的前向计算、反向传播计算、权重梯度计算方法，分析了不同类型感知数据接入、存储、编码、模型的分类、智能深度学习模型的构建测试、预警信息发布的技术路径，为煤矿水害智能预警系统智能化建设提供借鉴。
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    煤炭科学技术
    2023年第07期
    197
    96
  • 陕北侏罗系砂岩宏观−微观特征及其富水性响应机制

    作者(Author)： 冯洁, 丁湘, 蒲治国, 李兆扬, 段东伟, 段会军

    摘要：砂岩含水层富水性是矿井防治水的基础，随着陕北侏罗纪煤田煤炭资源逐步开发，侏罗系砂岩含水层富水性研究对保障矿井安全高效开采意义重大，但其非均质性如何影响富水性，即影响机制尚不明确。以大海则煤矿为研究区，通过沉积相划分与38块典型岩样铸体薄片图像分析、压汞、核磁共振等实验室测试，结合钻孔抽水试验成果，研究侏罗系直罗组、延安组沉积相、微观孔隙结构及其与富水性之间的关系，揭示了砂岩微观孔隙结构与富水性的响应机制。研究结果表明：大海则煤矿直罗组下段主要发育河流沉积体系河流砂坝和河漫滩沉积微相，延安组三段主要发育三角洲沉积体系分流河道和分流间湾沉积微相，河流沉积体系普遍较三角洲沉积体系含水层富水性强，以粗砂岩、中砂岩为主的河道砂坝富水性相较以中砂岩、细砂岩为主的河漫滩富水性强，砂岩厚度、砂地比较大的分流河道较砂岩厚度、砂地比较小的分流间湾富水性大；根据砂岩物性、孔隙分布、连通性等将侏罗系砂岩微观孔隙结构划分为大孔粗喉型（Ⅰ类）、中孔−中−细喉型（Ⅱ类）、小孔细喉型（Ⅲ类）、小−微孔−微细喉型（Ⅳ类）4种类型，孔隙结构由Ⅰ类到Ⅳ类依次变差，富水性依次变弱；砂岩宏观沉积相与微观孔隙结构共同表征含水层富水程度。研究结果为砂岩含水层特征研究及其富水性科学预测提供了一种新思路，为矿井防治水提供了理论依据。
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    煤炭科学技术
    2023年第07期
    162
    86
  • 断层突水灾变演化过程划分基础试验研究

    作者(Author)： 孙文斌, 杨辉, 赵金海, 薛延东, 张晓波, 刘倩慧

    摘要：断层突水严重威胁煤矿开采，灾害呈滞后性、隐蔽性等特征，掌握断层突水灾变演化机制、过程规律，对开展煤矿防治水工作具有重要理论指导意义。通过构建突水演变分析模型，分析了承压水导升路径和断层带演化特征。釆用岩石应力−渗流耦合真三轴试验系统，结合声发射和数字散斑技术，配制含断层破碎带充填物的大尺寸类岩石试样，研究了双轴加载过程中含不同岩性和产状断层充填物的试样失稳破坏特征，获得了声发射事件和试样变形特征，最后采用改造升级的采动底板突水模拟试验系统和应力、水压、并行电法在线监测子系统，室内再现了采动断层突水演变全过程，获得了各监测参数演变特征。研究结果表明：断层带受开采扰动响应更强烈，更容易破坏失稳为承压水导升提供空间；断层充填物的性质决定了断层活化的强度和难易程度，将一定程度上影响断层突水的时空演化过程；断层尖端受流固耦合作用明显，断层带及隔水层产生的裂隙经历萌生—扩展—贯通阶段，断层与工作面的相对位置关系决定了断层演化带和底板破坏带对接的时空位置；根据承压水导升路径，将断层突水过程划分为“断层活化”“贯通导水”“‘双带’（断层演化带与底板破坏带）对接”3个灾变演化阶段，实现了断层突水演化过程的阶段划分。
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    煤炭科学技术
    2023年第07期
    250
    99
  • 沟谷区多煤层开采覆岩破坏及径流水害防治研究

    作者(Author)： 刘一龙, 杨天鸿, 马凯, 叶强, 赵永, 赵乾百

    摘要：沟谷地形下多煤层开采带来了严重且复杂的“裂隙发育—山体滑坡—河道堵塞—涌水加剧”链式灾害。探究沟谷地形与煤层重复采动耦合作用下的覆岩破坏特征与规律是滑坡、涌水灾害防治的关键。以西曲矿沟谷地形下多煤层开采为研究对象，综合采用集地表勘察、InSAR动态观测、降雨-径流分析和数值模拟为一体的“覆岩移动−地表变形−径流积水”分析方法，分析了沟谷区多煤层下行开采引发覆岩破坏与地表沉降的空间扩展全过程。结果表明：沟谷区下组煤充分采动后，煤层间关键层以下岩层移动范围无明显外扩特征，竖向裂隙发育，以张拉开裂为主。关键层上方岩层剪切裂隙占比明显增加，采动沉降效应与重力作用下的沟谷坡体易产生剪切滑移，甚至发生坡体下行裂隙与覆岩上行裂隙的贯通现象。重复采动造成山体滑坡形成的堆积体若阻塞河道并在汛期形成堰塞湖，则具有井下涌水风险。基于无人机倾斜摄影测量合成的高精度地形，通过降雨−径流模拟再现了山西“百年一遇”暴雨期间矾石沟流域不同历时降雨淹没范围与时间百分比，为矾石沟小流域的沟谷水灾害防范和风险评估提供了支撑，并提出了基于裂隙发育与地表淹没范围的地表径流水害综合防治方法。研究可为沟谷区多煤层开采条件下地表地质灾害防治与水资源保护提供有益参考。
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    煤炭科学技术
    2023年第07期
    184
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